NGHIÊN CỨU TRAO ĐỒI THIẾT KÉ PHÁT TRIỂN VÀ TỐI ưu HÓA KÉT CẤU TAY GẮP MÈM ROBOT SOFT ROBOT GRIPPER DESIGN AND STRUCTURAL OPTIMIZATION Phùng Văn Bình, Nguyễn Hải Nam, Trần Anh Vàng, Trần Xuân Trung Kho[.]
NGHIÊN CỨU - TRAO ĐỒI THIẾT KÉ PHÁT TRIỂN VÀ TỐI ưu HÓA KÉT CẤU TAY GẮP MÈM ROBOT SOFT ROBOT GRIPPER DESIGN AND STRUCTURAL OPTIMIZATION Phùng Văn Bình, Nguyễn Hải Nam, Trần Anh Vàng, Trần Xuân Trung Khoa Hàng khơng Vũ trụ, Học viện Kỳ thuật Qn TĨM TẮT Bài báo trình bày việc thiết kế phát triền tối ưu kết cấn tay gắp mềm robot Một phiên tay gắp mềm robot phát triển tích hợp lên tay robot bậc tự Thiết bị có thê gap vật có hình dáng kích thước khác cách linh hoạt tự động Đê nâng cao khả gắp giữ vật, phương pháp tối ưu hóa tham số thiết kế ngón tay mềm đề xuất Mơ hình tốn tối ưu hóa ngón tay mềm gồm bổn tham số, ràng buộc tiêu chuẩn xây dựng Điều kiện ràng buộc giá trị tiêu chuẩn mơ hình tốn tối ưu tính tốn thơng qua chương trình tính tốn tự động phát triên ngơn ngữ Python tích hợp với phân mềm Abaqus Việc lựa chọn tham sẻ thiết kế toi ưu thực cách áp dụng giải thuật di truyền Kết tìm kiếm cho thấy, phương án tối ưu tạo lực kẹp lớn đáng kể so với phương án Từ khóa: Tay gắp mềm; Toi ưu hóa thiết kế; Giải thuật di truyền; Chương trình tinh tự động ABSTRACT This paper presents the design, development, and structural optimization of a soft robot gripper A new version of the gripper has been developed and integrated into a 6-degree-of-freedom robotic arm enabling it to pick up flexibly and automatically objects of different shapes and sizes The method to optimize finger's geometical parameters has been proposed to improve its ability to grasp and hold objects Its optimization model with four parameters, one constraint, and one criterion has been developed These constraint and criterion were determined by an automatic calculation program written in Python and integrated to the Abaqus® software The optimal design parameters were defined by means of the genetic algorithm The results demonstrated that the optimal model generated a much higher clamping force than that generated by the existing model Keywords: Soft gripper; Design optimization; Genetic algorithm; Automatic calculation program ISSN 2615 - 9910 (bản in), ISSN 2815 - 5505 (online) TẠP CHÍ Cơ KHÍ VIỆT NAM, SỐ 293, tháng năm 2022 cokhivietnam.vn / tapchicokhi.com.vn NGHIÊN CỨU - TRAO ĐỔI GIỚI THIỆU Những năm gần đây, cấu tay gắp mềm xuất xu để gắp vật mềm, vật dề vỡ, vật có hình dạng, kích thước đa dạng thực số công việc đặc thù gắp thực phẩm [ I ], thu hoạch nông sản [2], Tay gắp mềm phổ biến loại chế tạo bàng vật liệu siêu đàn hồi dựa nguyên lý hoạt động tay người Cụm tay mềm lắp ráp nhiều ngón tay, mồi ngón tay cấu tạo khoang thơng kết nối với hệ thống khí nén [3] cấu hình đạt thành cơng bước đầu ứng dụng vào dầy chuyền đóng gói thực phấm thử nghiệm việc thu hoạch nơng sản Hiệu tích cực ứng dụng thực tế truyền cảm hứng cho nhiều nhà nghiên cứu giới việc hoàn thiện tối ưu hóa thiết kế phiên tay gắp mềm khác Tuy nhiên, đặc trưng phi tuyến (hình học vật liệu) vật liệu siêu đàn hồi gây khó khăn khơng nhỏ việc xây dựng mơ hình tính tốn tối ưu hóa thiết kế tay gắp mềm Đây thách thức nhà nghiên cứu việc xây dựng mơ hình tốn tối ưu thiết kế tay gắp Đã có số cơng trình đề cập đến việc tơi ưu hóa thiêt kê tay găp mêm Ví dụ, cơng trình [4] đưa ảnh hưởng số tham số thiết kế ngón tay mềm đến góc uốn lực kẹp, sau lựa chọn phương án tốt từ tập hợp tham số khảo sát Tuy nhiên, số lượng phương án mà tác giả khảo sát khơng nhiều phương pháp lựa chọn phương án thiết kế tối ưu mang tính cảm quan khơng dựa thuật tốn tối ưu cụ thể Cơng trình [5] đưa phương pháp tối ưu hóa tham số cho ngón tay mềm với tham số thiết kế dựa vào kết hợp phần mềm phân tích kết cấu phương pháp phần tử hữu hạn Abaqus phần mềm tối ưu hóa Isight (Dassault System, MA) Tuy nhiên, phương pháp tác giả sứ dụng phụ thuộc vào phần mềm nên khơng có tùy biến linh hoạt Trong báo này, nhóm tác giả đề xuất phương án thiết kế cải tiến cụm tay gắp mềm cách tiếp cận để tối ưu hóa thiết kế ngón tay mem robot Ket nghiên cứu áp dụng cho việc phát triển phiên tay gắp mềm nhóm tác giả nhằm tìm phiên hồn thiện có tính ứng dụng cao điều kiện thực tế Việt Nam THIÉT KÉ, PHÁT TRIỂN CỤM TAY GẮP MÈM TÍCH HỢP VỚI TAY MÁY ROBOT Nhằm khắc phục hạn chế phiên tay gắp mềm có, nhóm tác giả phát triển phiên tay gắp mềm có cấu tạo kích thước thề Hình Phiên có hai ưu điểm là: cho phép tùy chỉnh vị trí ngón tay để gắp vật có kích thước lớn nhỏ khác cho phép tích hợp vào tay máy robot bậc tự (mơ hình tay máy ABB) Ngón tay mềm chế tạo bàng phương pháp đúc vật liệu Silicon khuôn nhựa [3], Sau chế tạo, cụm tay mềm tích hợp lên tay máy robot Tiếp đó, thực nghiệm tiến hành để đánh giá khả gắp giữ vật cụm tay gắp mềm tích họp lên tay máy robot Ket cho thấy, cụm tay gắp mềm phát triển có khả gắp, nâng vật lên, di chuyển thả vật vào vị trí yêu cầu cách liên hoàn hoàn toàn tự động Thực nghiệm thực thành công vật mềm có hình dáng, kích thước khác nhau, ví dụ loại (cam, cà chua), vật dề vờ (trứng) ISSN 2615 - 9910 (bản in), ISSN 2815 - 5505 (online) TẠP CHÍ Cơ KHÍ VIỆT NAM, số 293, tháng năm 2022 cokhivỉetnam.vn / tapchicokhi.com.vn NGHIÊN CỨU-TRAO ĐỔI a) Cấu tạo ngón tay mềm b) Tích họp lên tay máy c) Thực nghiêm gắp vật Hình Thiết kế, chế tạo thử nghiêm cụm tay gắp mềm gan tay máy robot Để nâng cao khả gắp giữ vật cụm tay gắp mềm, nhằm đáp ứng nhu cầu thực tế ứng dụng, việc tối ưu hóa thiết kế ngón tay mềm thực trình bày phần giá trị cho trước abd Trong khuôn khổ mô hình tối ưu này, giá trị abd lựa chọn giá trị góc uốn mẫu ngón tay mềm ban đầu (đã chế tạo thành công có khả gắp vật, tương ứng với phương án "Ban đầu" bảng mục 3.4) TỐI ƯU HÓA KÉT CẤU TAY GẮP MÈM c) Hàm mục tiêu 3.1 Mơ hình tốn tối ưu hóa a) Các tham số thiết kế Bốn tham số thiết kế thay đổi mơ hình tối ưu là: độ rộng khoang b, chiều cao khoang h, chiều dày thành khoang t độ dày đáy d (Hình 1) Khoảng giá trị tham số thiết kế lựa chọn dựa phương án thử nghiệm khả chế tạo thực tế ngón tay mềm, Bảng Các kích thước cịn lại ngón tay mềm coi không đối Giá trị áp suất khí nén sử dụng p = 10 kPa b) Điều kiện ràng buộc Để đảm bảo khả gắp vật, điều kiện ràng buộc đặt mơ hình tối ưu góc uốn a (Hình 2a) ngón tay phải lớn a) b) Hình Các đặc tính quan trọng ngón tay mềm Trong q trình mơ phỏng, vật gắp thay mặt phãng cố định có hướng thẳng đứng Khi đó, lực gắp vật thực tế tương ứng với lực tương tác F mơ hình ngón tay mềm mặt phẳng (Hình 2b) Lực lựa chọn hàm mục tiêu mơ hình tốn tối ưu ngón tay mềm Q trình tối ưu hóa q trình cực đại hóa giá trị lực F ISSN 2615 - 9910 (bản in), ISSN 2815 - 5505 (online) TẠP CHÍ Cơ KHÍ VIỆT NAM, số 293, tháng năm 2022 cokhivietnam.vn / tapchicokhi.com.vn NGHIÊN CỨU-TRAO ĐỔI Báng Các tham số cùa toán tối ưu Tên gọi Ký hiệu Giá trị Đo n vị Độ rộng khoang b [15-25] mm Chiều cao khoang h [7-15] mm Chiều dày thành khoang t [1-2] mm Độ rộng đáy d [2-4] mm Ràng buộc Góc uốn a Mục tiêu Lực tương tác F Tham số thiết kế 3.2 Xây dựng chương trình tự động tính tốn giá trị tiêu chuẩn ràng buộc Mục tiêu tốn tối ưu hóa tìm giá trị tham số b, t, h, d (một phương án thiết kế) cho góc uốn a thỏa mãn điều kiện ràng buộc lực tương tác F đạt giá trị lớn Việc tính tốn thực phần mềm Abaqus Với mồi phương án thiết kế, phần mềm Abaqus phải thực việc phân tích (bàng phương pháp phần tử hữu hạn - PTHH) để tìm giá trị (a, F) Để tìm phương án thiết kế tối ưu, cần phân tích tất phương án thiết kế, sau so sánh kết với Phương pháp truyền thống sử dụng phần mềm Abaqus nói riêng phần mềm CAE nói chung tóm tắt lại thành bước: - Xây dựng mơ hình phần tử hữu hạn kết cấu (tiền xử lý); - Phân tích kết quả; - Xử lý kết (hậu xử lý) Nếu sử dụng phương pháp này, mồi phương án thiết kế cần phải thực đầy đủ ba bước nói Khi đó, chi phí phân tích tất phương án thiết kế lớn Đe giảm chi phí (rút ngắn thời gian) tính tốn có the khảo sát nhiều phương án thiêt kế khác nhau, nhóm nghiên cứu phát độ F ® F_ max N triển chương trình tự động hóa tính tốn kết cấu ngón tay mềm ngơn ngữ Python, sau tích hợp với xử lý phần mềm Abaqus, nhờ q trình phân tích thực hồn tồn tự động [3], Ở giai đoạn tiền xử lý, chương trình cho phép tham số hóa kích thước hình học xây dựng mơ hình PTHH tay gắp Sau người dùng nhập giá trị (b, t, h, d), chương trình tự động phân tích, lưu kết đề nghị người dùng cập nhật giá trị để tiếp tục giai đoạn hậu xử lý, chương trình tự động truy cập, xếp hiển thị kết dạng bảng dạng đồ thị Cách tiếp cận cho phép rút ngắn giai đoạn tiền xử lý hậu xử lý, đồng thời cho phép giai đoạn xử lý thực liên tục hồn tồn tự động Nhờ đó, tổng thời gian để tính tốn phương án thiết kế giảm đáng kể Ngồi ra, q trình đánh giá phân tích kết trở nên dễ dàng 3.3 Giải tốn tối ưu hóa giải thuật di truyền Đê tối ưu hóa thiết kế ngón tay mềm, nhiều phương án thiết kế khác cần khảo sát Mặc dù chương trình tự động tính ISSN 2615 - 9910 (bản in), ISSN 2815 - 5505 (online) TẠP CHÍ Cơ KHÍ VIỆT NAM, số 293, tháng năm 2022 cokhivietnam.vn / tapchicokhi.com.vn NGHIÊN CỨU-TRAO ĐỔI toán giúp giảm chi phí tính tốn xây dựng, phương án tối ưu xác định cách phân tích tất phương án thiết kế chi phí tính tốn mức cao Để tiếp tục giảm chi phí tính tốn, nhóm nghiên cứu sử dụng giải thuật di truyền [6] đe giải tốn tối ưu hóa Quy trình tối ưu hóa kết cấu ngón tay mềm xây dựng nhờ thuật tốn di truyền thể Hình Đầu tiên, số giá trị tham số (được gọi quần thể) khởi tạo cách ngầu nhiên đưa vào chương trình tự động tính tốn Những giá trị cho kết không tốt bị loại bỏ, ngược lại, giá trị cho kết tốt giữ lại, làm sở đe xây dựng quần giá trị (thơng qua tốn tử di truyền chọn lọc, lại tạo, đột biến) để cải thiện kết đạt Quá trình lặp lại số vòng lặp đạt đến giá trị cho trước Bộ giá trị sử dụng vịng lặp cuối giá trị tối ưu Với giải thuật di truyền, ta không cân thiết phải xem xét tất các giá trị xuất hiện, thay vào đó, ta cần phân tích giá trị tiềm Điều giúp giảm chi phí tính tốn dần sau bước lặp, từ 0,075 N phương án ban đầu đến 0,277 N (tăng 269 %) sau 15 vòng lặp Bộ giá trị tham số thiết kế tìm số bước lặp khác Bảng Từ vòng lặp thứ 12 trở đi, giá trị lực F giữ mức ổn định Do đó, tham số tìm vòng lặp thứ 15 coi tham số thiết kế tối ưu Hĩnh Kết tối ưu lực tương tác F ngón tay mềm (với p = 10 kPa) Kết so sánh giá trị lực F tương ứng với áp suất khác thê Bảng Hình Giá trị lực F tối ưu tìm lớn rõ rệt so với phương án ban đầu Ngoài ra, phương án tối ưu tìm có giá trị góc uốn a lớn so với phương án ban đầu, đảm bảo thỏa mãn điều kiện đặt mơ hình tốn tối ưu Báng Các phương án thiết kế q trình tối ưu hóa (với p = 10 kPa) Hình Sơ đồ thuật tốn tối ưu hóa lực tương tác F sử dụng giải thuật di truyền Phương án thiết kế b (mm) (mm) h (mm) d (mm) a (độ) F (N) Ban đầu 20 1,5 10 4,0 42,25 0,075 Bước lặp thứ 15 23 1,1 15 3,6 58,12 0,277 t Bảng Lực tương tác F phương án thiết kế theo áp suất 3.4 Kết Áp suất (kPa) Phương án thiết kế Kết tối ưu hóa giá trị lực tương tác F thề Hình Giá trị lực F tăng 10 15 20 25 Ban đầu 0,031 0,075 0,130 0,186 0,245 Bước lặp thứ 15 0,107 0,277 0,401 0,559 0,700 ISSN 2615 - 9910 (bản in), ISSN 2815 - 5505 (online) TẠP CHÍ Cơ KHÍ VIỆT NAM, số 293, tháng năm 2022 cokhivietnam.vn / tapchicokhi.com.vn NGHIÊN CỨU - TRAO ĐỔI Ngày nhận bài: 25/5/2022 Ngày phản biện: 02/6/2022 Tài liệu tham khảo: [ ] z Wang, Y Torigoe, and s Hirai; “/1 Prestressed Hình Lực tương tác F phương án thiết kế theo áp suất KÉT LUẬN Một phiên ngón tay gắp mềm với thiết kế tối ưu chế tạo Chúng làm vật liệu silicon, hoạt động tác dụng khí nén tích hợp tay máy robot bậc tự cấu hình ABB Thực nghiệm cho thấy, cụm tay gắp mềm tích hợp lên tay máy có khả gắp/thả vật có hình dáng, kích thước khác vào vị trí yêu cầu cách liên hoàn hoàn toàn tự động Để nâng cao khả gắp giữ vật, việc tối ưu hóa thiết kế theo kích thước hình học quan trọng ngón tay thực giải thuật di truyền, thơng qua chương trình tự động tính tốn phát triên sở ngơn ngừ lập trình Python tích hợp vào phần mềm Abaqus Đây cách tiếp cận mới, cho phép tự động hóa q trình tính tốn giảm chi phí tính tốn giải tốn tối ưu hóa thiết kế Kết thử nghiệm khăng định tính dãn phương pháp Cách tiếp cận áp dụng cho tốn tối ưu hóa kết cấu đối tượng khác ❖ Soft Gripper: Design, Modeling, Fabrication, and Tests for Food Handling,”, IEEE Robot Autom Lett., vol 2, no 4, pp 1909-1916, 2017, doi: 10.1109/LRA.2017.2714141 [2], E Navas, R Fernandez, D Sepulveda, M Armada, and p Gonzalez-De-santos; “Soft grippers for automatic crop harvesting: A review,”, Sensors, vol 21, no 8, 2021, doi: 10.3390/s21082689 [3] , H M D Van Binh Phung, Quoc Anh Nguyen, Trong Hoang Nguyen, Anh Vang Tran; “Determination of hyper-elastic material parameters and automatic computation for the soft-robotic gripper (in Vietnamese),”, J Sci Technol., vol 57, no 3, pp 1-11, 2021 [4] F Yang et al.; “Design and Optimize ofa Novel Segmented Soft Pneumatic Actuator,”, IEEE Access, vol 8,pp 122304-122313,2020, doi: 10.1109/ACCESS.2020.3006865 [5] z Wang and s Hirai; “Geometry and Material Optimization of a Soft Pneumatic Gripper for Handling Deformable Object,”, 2018 IEEE Int Conf Robot Biomimetics, ROBIO 2018, pp 612-617, 2018, doi: 10.1109/ ROBIO.2018.8665234 [6] B V Phuong, s s Gavriushin D H Minh, P V Binh, N V Due, and V c Thanh; “The Impact of Interactive Visualization on Trade off-Based Decision-Making Using Genetic Algorithm: A Case Study,”, in AIMEE 2020: Advances in Artificial Systems for Medicine and Education IV, 2021, vol 1, pp 248-258, doi: 10.1007/978-3-030-67133-4 23 ISSN 2615 - 9910 (bản in), ISSN 2815 - 5505 (online) 10 TẠP CHÍ Cơ KHÍ VIỆT NAM, SỐ 293, tháng năm 2022 cokhivietnam.vn / tapchicokhi.com.vn ... phương án thiết kế tối ưu mang tính cảm quan khơng dựa thuật tốn tối ưu cụ thể Cơng trình [5] đưa phương pháp tối ưu hóa tham số cho ngón tay mềm với tham số thiết kế dựa vào kết hợp phần mềm phân... giả đề xuất phương án thiết kế cải tiến cụm tay gắp mềm cách tiếp cận để tối ưu hóa thiết kế ngón tay mem robot Ket nghiên cứu áp dụng cho việc phát triển phiên tay gắp mềm nhóm tác giả nhằm... KÉ, PHÁT TRIỂN CỤM TAY GẮP MÈM TÍCH HỢP VỚI TAY MÁY ROBOT Nhằm khắc phục hạn chế phiên tay gắp mềm có, nhóm tác giả phát triển phiên tay gắp mềm có cấu tạo kích thước thề Hình Phiên có hai ưu